JP6444783B2 - 形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法に関する。

３つの変位計を用いて逐次３点法により計測対象物の真直形状を求める方法が知られている。このような方法により真直形状を高精度に求めるためには、３つの変位計の取り付け位置のばらつきを校正する必要がある。

そこで、３つの変位計と３つの円板とを対向配置し、円板の所定回転位置における変位計の測定値と、円板の所定回転位置から１８０度回転した位置における変位計の測定値とに基づいて、変位計の相互位置を校正する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２８６４３０号公報

しかしながら、特許文献１に係る方法では、円板の設置位置、回転角度等が高精度に校正されている必要がある。また、求められた位置ずれ量に基づいて変位計の位置調整を行うには、非常に煩雑な作業が必要になる可能性がある。特に、形状計測の分解能を上げて高精度な計測を行う場合には、より厳密に校正する必要があり、さらに煩雑な作業が必要になる可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、変位計の取り付け位置の校正を容易に実行可能であり、計測対象物の表面形状を高精度に計測可能な形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、前記３つの変位計からそれぞれの測定値を取得する取得手段と、前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異に基づいてギャップデータを求めるギャップ算出手段と、液体が蓄えられた液槽の液面から得られる前記ギャップデータから、前記３つの変位計の取り付け位置のオフセット量を求めるオフセット量取得手段と、前記検出器が前記計測対象物を走査して得られる前記ギャップデータを前記オフセット量を用いて補正し、前記変位計の位置ずれを校正する校正手段と、前記オフセット量を用いて補正された前記ギャップデータに基づいて前記計測対象物の表面形状を算出する形状算出手段と、を備える。

本発明の実施形態によれば、変位計の取り付け位置の校正を容易に実行可能であり、計測対象物の表面形状を高精度に計測可能な形状計測装置が提供される。

実施形態における加工装置を例示する図である。 実施形態における形状計測装置の構成を例示する図である。 実施形態におけるセンサヘッドの構成を例示する図である。 実施形態における形状計測を説明するための図である。 実施形態における変位センサの取り付け位置ばらつき及び変位センサが液槽の液面を測定する構成を例示する図である。 実施形態におけるオフセット量取得処理のフローチャートを例示する図である。 実施形態における液槽の液面から得られるギャップデータを例示する図である。 実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

（加工装置の構成）
図１は、本実施形態に係る形状計測装置が搭載された加工装置２００の構成を例示する図である。

加工装置２００は、図１に示されるように、可動テーブル１０、テーブル案内機構１１、砥石ヘッド１５、砥石１６、案内レール１８、制御装置２０、表示装置４０を有する。なお、以下の図面において、Ｘ方向は可動テーブル１０の移動方向、Ｙ方向はＸ方向に直交する砥石ヘッド１５の移動方向、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する高さ方向である。

可動テーブル１０は、テーブル案内機構１１によってＸ方向に移動可能に設けられており、加工対象及び計測対象となる物体１２が載置される。テーブル案内機構１１は、可動テーブル１０をＸ方向に移動させる。

砥石ヘッド１５は、下端部に砥石１６が設けられており、Ｘ方向に移動可能且つＺ方向に昇降可能に案内レール１８に設けられている。案内レール１８は、砥石ヘッド１５をＸ方向及びＺ方向に移動させる。砥石１６は、円柱形状を有し、その中心軸がＹ方向に平行になるように砥石ヘッド１５の下端部に回転可能に設けられている。砥石１６は、砥石ヘッド１５と共にＸ方向及びＺ方向に移動し、回転して物体１２の表面を研削する。

制御装置２０は、可動テーブル１０及び砥石ヘッド１５の位置を制御し、砥石１６を回転させることで、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御する。

表示装置４０は、例えば液晶ディスプレイ等である。表示装置４０は、制御装置２０によって制御され、例えば物体１２の加工条件等が表示される。

（形状計測装置の構成）
図２は、加工装置２００に搭載されている形状計測装置１００の構成を例示する図である。図２に示されるように、形状計測装置１００は、制御装置２０、センサヘッド３０、表示装置４０を含む。

制御装置２０は、上記したように、物体１２の表面を研削するように加工装置２００の各部を制御すると共に、センサヘッド３０の各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃから出力される測定値に基づいて、物体１２の表面形状を求める。

制御装置２０は、センサデータ取得部２１、ギャップデータ算出部２３、オフセット量取得部２５、校正部２７、形状算出部２９を有する。制御装置２０は、例えばＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を含み、ＣＰＵがＲＡＭと協働してＲＯＭに記憶されている制御プログラムを実行することで各部の機能が実現される。

センサデータ取得部２１は、取得手段の一例であり、センサヘッド３０に設けられている各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃからセンサデータを取得する。ギャップデータ算出部２３は、ギャップ算出手段の一例であり、センサデータ取得部２１が取得したセンサデータからギャップデータを算出する。オフセット量取得部２５は、オフセット量取得手段の一例であり、ギャップデータから変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置のオフセット量を取得する。校正部２７は、算出されたオフセット量を用いてギャップデータを補正することで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの位置ずれを校正する。形状算出部２９は、形状算出手段の一例であり、校正部２７によって校正されたギャップデータに基づいて物体１２の表面形状を算出する。制御装置２０の各部において実行される処理については後述する。

センサヘッド３０は、検出器の一例であり、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃを備え、加工装置２００の砥石ヘッド１５の下端に設けられている。図３は、実施形態に係るセンサヘッド３０の構成を例示する図である。

センサヘッド３０は、図３に示されるように、第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃがＸ方向に一列に配設されている。

第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、変位計の一例であり、例えば液面に影響を与えずに非接触で高精度に測定できるレーザ変位計である。また、光強度が高く、液面からの反射光が得られ易いため高精度な測定が可能になる正反射受光式レーザ変位計であることが好ましい。

第１変位センサ３１ａ、第２変位センサ３１ｂ、第３変位センサ３１ｃは、測定点が物体１２の表面上においてＸ方向に平行な直線状に等間隔で並ぶように配設され、それぞれ物体１２の表面上の測定点との間の距離を測定する。物体１２が可動テーブル１０に載せられてＸ方向に移動すると、センサヘッド３０が物体１２に対して相対移動し、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが物体１２の表面を走査して測定値を出力する。

表示装置４０は、制御装置２０により制御され、例えば形状算出部２９によって求められた表面形状の計測結果等が表示される。

なお、本実施形態では、形状計測装置１００と加工装置２００とが、制御装置２０及び表示装置４０を共用する構成になっているが、形状計測装置１００及び加工装置２００のそれぞれに制御装置と表示装置とが設けられてもよい。また、可動テーブル１０が物体１２と共にＸ方向に移動する構成になっているが、センサヘッド３０が物体１２に対してＸ方向に移動する構成であってもよい。

（形状計測の基本原理）
次に、形状計測装置１００において物体１２の表面形状を求める方法について説明する。図４は、表面形状の計測方法について説明するための図である。

変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、図４に示されるように、間隔ＰでＸ方向に一列に配設され、それぞれ物体１２表面のａ点、ｂ点、ｃ点との距離を測定する。変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによって求められる各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃと物体１２の表面との距離をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとすると、図４（Ａ）に示されるＺ方向におけるｂ点からａ点とｃ点とを結ぶ直線との距離ｇ（ギャップ）は、以下の式（１）により求められる。

次に、物体１２表面のｂ点における変位ｚの２階微分（ｄ^２ｚ／ｄｘ^２）は、ｂ点の曲率（１／ｒ）であり、図４（Ｂ）に示されるように、ａ点とｂ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚ_ａｂ／ｄｘ）と、ｂ点とｃ点とを結ぶ直線の傾き（ｄｚ_ｂｃ／ｄｘ）とを用いて、以下の式（２）により表される。

式（２）に、以下の式（３），（４）を代入し、さらに式（１）を用いると、式（５）で表されるように、変位ｚの２階微分である曲率をギャップｇ及びセンサ間の距離Ｐから求められることが分かる。

センサ間の距離Ｐは予め定められているため、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによるセンサデータから式（１）に基づいてギャップｇを求め、式（５）により求められる曲率を積分ピッチで２階積分することで、任意のｘ点における変位ｚを求めることができる。積分ピッチは、例えば走査時におけるＸ方向の各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのデータ取得間隔等である。

ここで、３つの変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃを、例えば数十ｎｍレベルの範囲内で厳密に一直線上に並ぶように高さを調整してセンサヘッド３０に取り付けるのは非常に難しい。したがって、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、図５に示されるように、センサヘッド３０への取り付け位置にＺ方向における僅かなばらつきを有する。なお、図５では、説明のために取り付け位置のばらつきが拡大して示されている。

図５に示される例では、第２変位センサ３１ｂの取り付け位置と、第１変位センサ３１ａの取り付け位置と第３変位センサ３１ｃの取り付け位置とを結ぶ直線とが、Ｚ方向においてｇ_０だけオフセットしている。

このように変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置にばらつきがあると、測定値に基づいて式（１）により求められるギャップｇがオフセット量ｇ_０を含む値となり、物体１２の表面形状にいわゆる放物線形状誤差が生じる。

そこで、本実施形態に係る形状計測装置１００では、図５に示されるように、液体５１が蓄えられた液槽５０の液面５２の測定値から、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０を求め、表面形状の計測時にオフセット量ｇ_０を用いた校正を行う。

（オフセット量取得処理）
図６は、実施形態におけるオフセット量取得処理のフローチャートを例示する図である。

オフセット量取得処理では、まずステップＳ１０１にて、センサヘッド３０と液面５２とが対向するように可動テーブル１０に液槽５０を載置し、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによる液面５２の測定を開始する。

図５に示されるように、液槽５０は、除振装置６０に設置され、液体５１の液面５２と変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃとが対向するように可動テーブル１０に載置される。

液槽５０は、例えば上側が開放された有底円筒状、箱型状等の容器であり、液体５１が蓄えられている。液槽５０は、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが同時に液体５１の液面５２を測定可能な大きさであれば、どのような形状及び大きさであってもよい。

なお、液槽５０は、液体５１の液面５２が水平に保たれ、且つ振動が生じ難いように、除振装置６０に設置された状態で可動テーブル１０に載置されることが好ましい。

液体５１は、例えば水、アルコール、油等であるが、これらに限られるものではない。液体５１は、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃが高精度に測定できるように、光反射率が高いことが好ましい。また、液体５１は、例えば振動等の影響による液面５２の揺れが早く収まり、液面５２が水平に維持され易くなる程度の粘性を有することが好ましい。また、液体５１は、複数の液体によって形成される多層液であってもよい。

センサヘッド３０は、可動テーブル１０に液槽５０が載置された状態で、各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの測定点が液槽５０の液面５２に位置するように移動する。なお、センサヘッド３０は、液槽５０の側壁付近では表面張力によって液面５２が水平にならないため、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの測定点が液面５２の端部に位置しないように移動する。オフセット量取得処理は、センサヘッド３０が液面５２との対向位置で停止した状態で実行される。

ここで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃによる水平な液面５２の測定値から式（１）により求められるギャップｇは、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０に等しい。

図７は、液槽５０の液面５２から得られたギャップデータの時間推移を例示する図である。

図７に示される例では、例えば液槽５０設置時の振動により液面５２が波立って揺れ動く影響を受けて、ギャップｇが測定開始直後に大きく変動している。ギャップｇは、時間の経過と共に揺れが収まって液面５２が水平状態に近付くにつれて、振幅が徐々に小さくなり一定値に収束していく。

このように、ギャップデータ算出部２３によって求められるギャップｇは、液面５２の時間変動の影響を受けるため、オフセット量ｇ_０を高精度に求めるためには、液面５２が水平に近付いた静水面の状態で求めたギャップｇをオフセット量ｇ_０として取得する必要がある。そこで、オフセット量取得処理では、以下の処理によりオフセット量ｇ_０を取得する。

図６に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１０２では、センサデータ取得部２１が、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃからそれぞれの液面５２の測定値を取得する。次にステップＳ１０３にて、ギャップデータ算出部２３が、センサデータ取得部２１によって取得された測定値を用いて、ギャップデータとして式（１）に基づいてギャップｇを算出する。センサデータの取得及びギャップｇの算出は、例えば一定のサンプリング周期Ｔｓで行われる。サンプリング周期Ｔｓは、液体５１の固有振動周期の１／２以下であることが必要条件で、１／１０以下であることがより好ましい。

ステップＳ１０４では、オフセット量取得部２５が、図７に示されるように、１サンプリング周期Ｔｓでのギャップｇの変化量Δｇ（＝ｇ（ｎ）−ｇ（ｎ−１））を求める。次にステップＳ１０５では、オフセット量取得部２５が、ギャップｇの変化量Δｇと、予め設定されている閾値ＴＨとを比較する。

ギャップｇの変化量Δｇが閾値ＴＨより大きい場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）には、液面５２が揺れ動いており静水面に近い状態になっていないと判断し、ステップＳ１０２からステップＳ１０４の処理を繰り返し実行する。

ギャップｇの変化量Δｇが閾値ＴＨ以下の場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）には、液面５２に生じている波が一定以下に収束し、液面５２が静水面に近付いたものと判断し、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、ギャップデータ算出部２３が、上記したサンプリング周期Ｔｓで、液体５１の固有振動周期の整数倍の時間におけるギャップデータの時系列データを取得する。次にステップＳ１０７にて、オフセット量取得部２５が、前述ギャップ時系列データの平均値を算出し、算出した平均値をオフセット量ｇ_０として取得し、処理を終了する。

ギャップｇの変化量Δｇが閾値ＴＨ以下になった場合でも、液面５２には微小な振動が残っており、サンプリングのタイミングによってはギャップｇが僅かに変動する場合がある。そこで、ステップＳ１０６、Ｓ１０７において、複数のギャップ時系列データｇ（ｎ）を取得して平均値を算出し、これをオフセット量ｇ_０とすることで、液面５２に残る微小な振動の影響を受けず、高精度にオフセット量ｇ_０を求めることが可能になる。

上記したオフセット量取得処理により、例えば振動等による液面５２の揺れ等の影響を低減して、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０を高精度に求めることが可能になる。このようにオフセット量取得部２５によって求められたオフセット量ｇ_０を用いてギャップデータを校正することで、計測対象物である物体１２の表面形状を高精度に計測することが可能になる。

なお、上記したオフセット量取得処理は、例えば形状計測装置１００が物体１２の表面形状の計測を実行する度に実行されてもよく、形状計測装置１００の起動時や、オフセット量算出処理後に設定された時間の経過後等に適宜実行されてもよい。

（形状計測処理）
図８は、実施形態における形状計測処理のフローチャートを例示する図である。

図８に示されるように、物体１２の表面形状を計測する場合には、まずステップＳ２０１にて、計測対象物である物体１２が可動テーブル１０に載置されている状態で、センサヘッド３０が物体１２の表面を走査する。次にステップＳ２０２にて、センサデータ取得部２１が、センサヘッド３０と共に物体１２の表面を走査する各変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃから、設定されているサンプリング周期Ｔｓでセンサデータを取得する。続いてステップＳ２０３にて、ギャップデータ算出部２３が、センサデータ取得部２１によって取得されたセンサデータから、式（１）に基づいてギャップｇを算出し、走査範囲の複数の測定点におけるギャップｇを含むギャップデータを得る。

ステップＳ２０４では、校正部２７が、オフセット量算出処理において求められたオフセット量ｇ_０を用いてギャップデータを補正する。具体的には、ギャップデータに含まれるギャップｇの各値からオフセット量ｇ_０を減算する。

次にステップＳ２０５では、形状算出部２９が、校正部２７によってオフセット量ｇ_０で校正されたギャップデータから式（５）によって２階微分値を算出し、この値を積分ピッチで２階積分することでＺ変位を求め、Ｚ，Ｘの散布図から物体１２の真直形状を算出する。オフセット量ｇ_０でギャップデータを補正することで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置ばらつきを校正し、物体１２の表面形状を高精度に計測することが可能になる。また、形状算出部２９によって算出された物体１２の表面形状が、表示装置４０に表示される。

以上で説明したように、本実施形態に係る形状計測装置１００によれば、液槽５０に蓄えられている液体５１の液面５２を用いることで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃのオフセット量ｇ_０を高精度に求めることができる。また、このように高精度に求められたオフセット量ｇ_０を用いて計測対象物である物体１２のギャップデータを補正することで、変位センサ３１ａ，３１ｂ，３１ｃの取り付け位置ばらつきを容易且つ高精度に校正し、物体１２の表面形状を精度良く計測することが可能になる。

また、本実施形態に係る形状計測装置１００が搭載された加工装置２００は、物体１２の表面を研削した後、物体１２を可動テーブル１０に載せたまま形状計測装置１００によって実行される表面形状計測結果に基づいて、補正加工等を行うことができる。したがって、物体１２の加工を効率良く、高精度に行うことができる。

以上、実施形態に係る形状計測装置、加工装置及び形状計測装置の校正方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

例えば、形状計測装置１００は、本実施形態とは異なる構成で物体１２の研削等の加工を行う加工装置に搭載されてもよい。

１２ 物体（計測対象物）
２０ 制御装置
２１ センサデータ取得部（取得手段）
２３ ギャップデータ算出部（ギャップ算出手段）
２５ オフセット量取得部（オフセット量取得手段）
２７ 校正部（校正手段）
２９ 形状算出部（形状算出手段）
３０ センサヘッド（検出器）
３１ａ 第１変位センサ（変位計）
３１ｂ 第２変位センサ（変位計）
３１ｃ 第３変位センサ（変位計）
５０ 液槽
５１ 液体
５２ 液面
１００ 形状計測装置
２００ 加工装置

Claims (7)

1. ３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置であって、
   前記３つの変位計からそれぞれの測定値を取得する取得手段と、
   前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異に基づいてギャップデータを求めるギャップ算出手段と、
   液体が蓄えられた液槽の液面から得られる前記ギャップデータから、前記３つの変位計の取り付け位置のオフセット量を求めるオフセット量取得手段と、
   前記検出器が前記計測対象物を走査して得られる前記ギャップデータを前記オフセット量を用いて補正し、前記変位計の位置ずれを校正する校正手段と、
   前記オフセット量を用いて補正された前記ギャップデータに基づいて前記計測対象物の表面形状を算出する形状算出手段と、を備える
   ことを特徴とする形状計測装置。
2. オフセット量取得手段は、
   前記３つの変位計で液体が蓄えられた液槽の液面を走査せずに測定し、前記３つの変位計の測定値から得られる前記ギャップデータから、前記３つの変位計の取り付け位置の前記オフセット量を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。
3. 前記オフセット量取得手段は、前記液面から得られる前記ギャップデータの変化率が予め設定された値以下になった状態で、前記ギャップデータを前記オフセット量として取得する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状計測装置。
4. 前記取得手段は、前記３つの変位計からそれぞれの測定値を取得するサンプリング周期が、前記液体の固有振動周期の１／２以下である
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の形状計測装置。
5. 前記液槽は、除振装置に載置されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の形状計測装置。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載の形状計測装置を備えることを特徴とする加工装置。
7. ３つの変位計が一列に配設された検出器で計測対象物を走査し、前記計測対象物の表面形状を計測する形状計測装置の校正方法であって、
   前記３つの変位計からそれぞれの測定値を取得する取得ステップと、
   前記３つの変位計のうち中央の変位計による測定値と他の変位計による測定値との差異に基づいてギャップデータを求めるギャップ算出ステップと、
   液体が蓄えられた液槽の液面から得られる前記ギャップデータから、前記３つの変位計の取り付け位置のオフセット量を求めるオフセット量取得ステップと、
   前記検出器が前記計測対象物を走査して得られる前記ギャップデータを前記オフセット量を用いて補正し、前記変位計の位置ずれを校正する校正ステップと、を備える
   ことを特徴とする形状計測装置の校正方法。

Images